发电厂的类型及分类介绍

发电厂是将各种自然资源转化为电能的工厂。按照其所利用一次能源的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂以及其他形式能源的发电厂。

1.火力发电厂

利用煤炭、石油、天然气等可燃物为原料来发电的工厂称为火力发电厂，简称火电厂或火电站，其能量的转换过程是：燃料的化学能→热能→机械能→电能。我国火电厂所使用的燃料以煤炭为主。

火电厂的原动机多为汽轮机，它可分为两类：一类是单一生产电能的火电厂，称为凝汽式火电厂，一般建在燃料产地，容量可以很大；另一类是兼供热的火电厂，称为热电厂，一般建在大城市及工业区附近，容量也不大。

下面以凝汽式火电厂为例，简要说明火电厂的生产过程（见图1-3）。

图1-3　凝汽式火电厂的生产过程示意图

原煤从产地运进电厂后，先储入原煤仓，然后经输煤传送带送进原煤斗，从原煤斗落入磨煤机中被磨成很细的煤粉后，再由排粉机抽出，随同由送风机送来的热空气（由置于烟道中的空气预热器加热得到）经喷燃器送入锅炉的燃烧室内燃烧。燃烧时产生的热量，一部分使燃烧室四周冷水壁管中的水变成蒸汽，另一部分用于加热燃烧室顶部和烟道入口处的过热器中的蒸汽，其余的热量则被燃烧后形成的烟气携带，穿过省煤器、空气预热器，将热量传递给蒸汽、水和空气后，经除尘器除尘，由引风机通过烟囱排入大气。燃烧时生成的炉渣和由除尘器收集下来的细灰，用水冲进冲灰沟排出厂外。

水和蒸汽是将热能转换为机械能的主要工具。经净化后的给水进入锅炉前要先送入省煤器内预热，然后进入锅炉顶部的锅筒内再降入水冷壁管中，给水吸收了燃烧室的热能后变为蒸汽，此蒸汽流过过热器时，进一步吸收烟气的热量而变成高压高温的过热蒸汽，然后经过主蒸汽管道进入汽轮机，该蒸汽在喷管里膨胀高速冲动汽轮机的转子旋转，将热能转变成机械能，汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变为电能。将在汽轮机内作功后的蒸汽，送往冷凝器凝结成水，凝结水经除氧器除氧、加热器加热后，用给水泵重新送入省煤器预热并送回锅炉继续使用。冷凝器所需的冷却水，由循环水泵从江河上游或冷水池打入，冷却水在凝结器中吸热后，流进江河下游或冷却塔散热，如此不断循环，周而复始。

在凝汽式火电厂中，由于循环水带走很大一部分热能，因此这类电厂的效率不高，一般不超过30%～40%，也就是说，有60%～70%的燃料热量在发电过程中未加利用而被损耗掉了。

在热电厂中，汽轮机中一部分作过功的蒸汽被从中间段抽出供给热用户；或经过热交换器将水加热后，再将热水供给用户。这样，便减少了进入冷凝器中的蒸汽量，使循环水带走的热损失也相应降低，所以，热电厂的效率较高，一般可达60%～70%。但由于受热负荷条件的限制，热电厂不可能大量兴建。

在我国电源结构中，火电设备容量占总装机的75%以上，在相当长的时期内，这种状况是难以改变的。今后火力发电的发展趋势是：快速发展超临界、超超临界火力发电机组和燃气蒸汽联合循环发电机组；积极开发清洁煤燃烧技术和燃煤磁流体发电技术；完善推广空冷机组和火电厂计算机控制技术。

2.水力发电厂

水力发电厂是利用江河水流的位能来发电的工厂，简称水电厂或水电站。其能量的转换过程是：水的位能→机械能→电能。

水电厂的总发电功率取决于水流的落差和水流的流量，可用下式表示：

式中，P为水电厂的总发电功率（kW）；Q为通过水轮机的水流量（m3/s）；H为上、下水位的落差（m）；η为水电厂的效率，为0.85左右。

由式（1-1）可知，当河水流量一定时，水流落差越大，水电厂的发电量越大。因此，为了充分利用水力资源，建造水电厂必须用人工的办法来提高水位。根据抬高水位的方式不同，水电厂可分为堤坝式、引水式、抽水蓄能式等。

堤坝式水电厂应用最为普遍，采用修筑拦河堤坝的形式来抬高水位。堤坝式水电厂可分为坝后式与河床式两种。坝后式水电厂的厂房建在堤坝后，水压全部由坝体承受，适用于高、中水头的情况，我国的一些大型水电站如三门峡、刘家峡、丹江口，以及三峡水电站都属于坝后式；河床式水电厂建在河道平缓区段，厂房和堤坝联成一体，厂房也起挡水作用，适用于低水头（20～30m以下）的情况，如葛洲坝水电站就属于此类。

引水式水电厂一般建于河流上游、坡度较大的区段，用修隧洞、渠道的方法，形成水流落差来发电，适用于水头高、流量小的河流。引水式水电厂不建坝或只建低坝，该坝只起壅水作用，落差靠引水渠道或隧洞形成。

抽水蓄能式水电厂既可蓄水又可发电，它有上、下两个水库，采用可逆式水轮发电机组。在负荷较小时利用系统“多余”的电能，使机组按电动机—水轮机（水泵）方式运行，将下水库的水抽到上水库储存；在系统负荷高峰时，机组改为水轮发电机方式运行，使所蓄的水用于发电，满足系统调峰（调频）需要。

无论是哪一类水电厂，都是将水通过压力水管引入水轮机，推动水轮机转子旋转，将机械能转换成电能。由此可见，水电厂的生产过程远比火电厂简单，图1-4为堤坝式水电厂的生产过程示意图。

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图1-4　堤坝式水电厂的生产过程示意图

与火电厂相比，水电厂具有不消耗燃料、无环境污染、生产效率高、发电成本低（仅为火电厂成本的1/4～1/3）、运行维护简单等优点，而且水是干净的、廉价的、可再生的能源，有利于环境保护，同时水电建设除用于发电外，还具有防洪、灌溉、航运、水产养殖等多种功能。但水电厂也存在投资大、工期长以及发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大等缺点，而且还涉及淹没耕地、库区移民、破坏人文景观和破坏自然生态平衡等一系列问题。

我国水力资源十分丰富，可开发水电容量为378GW，占全世界总量的25%，居世界首位。特别是黄河、长江水系集中了我国的主要水力资源。三峡水利枢纽是一个综合性的水利工程，大坝高185m，水头175m，总库容393亿m3，总装机容量18.2GW，年发电量86.5TW·h，装有26台700MW的水轮发电机组、双线五级船闸和升船机。三峡水电站为世界上最大的水利工程，在防洪、发电、航运方面都有重大效益。

3.核电厂

利用核能来发电的工厂，称为核电厂或核电站。核电厂的生产过程与火电厂大体相同，只是以核反应堆（原子锅炉）代替火电厂的燃煤锅炉，以少量的核燃料代替了大量的煤炭，其能量的转换过程是：核燃料的裂变能→热能→机械能→电能。

核电厂由两个主要部分组成：核系统部分（包括反应堆及其附属设备）和常规部分（包括汽轮机、发电机及其附属设备）。

反应堆是实现核裂变链式反应的一种装置，主要由核燃料、慢化剂、冷却剂、控制调节系统、危急保安系统、反射体和防护层等部分组成。反应堆可分为轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。目前，世界上使用最多的是轻水堆，其中绝大多数又为压水堆。图1-5为轻水堆核电厂的生产过程示意图。

图1-5　轻水堆核电厂的生产过程示意图

a）沸水堆核电厂　b）压水堆核电厂

在图1-5a所示的沸水堆核电厂中，水在反应堆中被加热沸腾成为蒸汽，然后直接引入汽轮机作功，汽轮机带动发电机发电，做完功的蒸汽经冷凝成水后，再用泵打回反应堆。这种型式比较简单，但整个热力系统仅由单回路构成，因而有可能使汽轮机等设备受放射性污染。为了克服此缺点，可采用具有双回路系统的压水堆，如图1-5b所示。这种堆型的水在反应堆中不沸腾，它的第一回路向蒸汽发生器供热，蒸汽发生器将第二回路中的水加热变成高压蒸汽，推动汽轮机作功，进而带动发电机发电，作完功的蒸汽经冷凝成水后，再用泵打回蒸汽发生器。由于这种型式两个回路各自独立循环，因此，不会造成设备的放射性污染，对运行和维护都比较方便。

核电厂的主要优点是可以节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。质量为1kg的铀全部裂变时释放的能量相当于2700t标准煤完全燃烧时所释放的能量，例如，一座容量为500MW的火电厂每年至少要烧掉150万t煤，而同容量的核电厂每年只需600kg铀燃料就够了。同时，核电厂不需空气助燃，所以核电厂可以建在地下、水下、山洞或空气稀薄的高原地区。

我国华东、广东、东北既是负荷中心，又缺乏煤、水资源，因而在这些地区发展核电是合适的。我国在20世纪90年代兴建了秦山核电站和大亚湾核电站，今后计划在东南沿海加速建造核电站。核能发电的主要问题是放射性污染，但随着科学技术的发展，核电厂将会变得越来越安全。

4.其他新能源发电

1）太阳能发电。太阳能发电分为光热发电和光伏发电，通常是指后者。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。它建造在常年日照时间长的地方。

不论是独立使用还是并网发电，太阳能光伏发电系统都是由太阳能电池板、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。太阳能发电具有不需要燃料、生产成本低、不产生污染等优点，但太阳能比较分散，能量分布密度小，受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大。我国的太阳能光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳能发电起步较晚，到2007年底我国太阳能光伏系统累计装机容量只有100MW，今后，太阳能发电将引起更大关注，特别是在边远能源短缺和用电分散地区应优先考虑。

2）风力发电。风力发电就是利用风力的动能来生产电能。它建造在常年有稳定风力资源的地区。风力发电过程是：当风力使旋转叶片转子旋转时，风力的动能就转变成机械能，再通过升速装置驱动发电机发出电能。

风能是一种取之不尽的自然能源，但它具有一定的随机性和不稳定性，因此，风力发电必须配有蓄能装置。我国的风力资源非常丰富，主要分布在西北、东北和华北的草原和戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿。风力发电是世界能源发展的一个重要方向，我国的风力发电也正在进入大规模发展阶段，风电场装机容量越来越大，正在规划和实施上百兆瓦的大型风电场。

3）地热发电。地热发电就是利用地表深处的地热能来生产电能。它建造在有足够地热资源的地区。地热发电厂的生产过程与火电厂相似，只是用地热井取代锅炉设备，将地热蒸汽从地热井引出，并滤除蒸汽中的固体杂质，然后通过蒸汽管道送入汽轮机，推动汽轮机作功，汽轮机带动发电机发电。

地球内部蕴藏的热能极大，据估算，全世界可供开采利用的地热能相当于几万亿吨煤，可见，开发利用地热资源的前景是非常广阔的。我国的地热资源主要集中在西藏地区，西藏的羊八井电厂是我国最大的地热电厂，总装机容量为25.18MW，水温约为150℃，是一种低温热能发电方式。地热发电的效率不高，但不需要燃料，运行费用低。随着西部大开发战略的实施，我国的地热发电必将得到更大的发展。

4）潮汐发电。潮汐发电是利用海水涨潮、落潮中的动能、势能来生产电能，它实质上是一种特殊类型的水电厂。潮汐发电厂需要建设拦潮大坝，因而要求一定的地形条件、足够的潮汐潮差和较大的容水区，通常建在海岸边或河口地区。潮汐电厂一般为双向潮汐发电厂，涨潮及退潮时均可发电。涨潮时打开两个闸门将潮水引入厂内发电，退潮前打开所有闸门储水，退潮后再打开另外两个闸门进行发电。

太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源都属于清洁、廉价和可再生能源，是未来的能源主要形式，此外，还可利用燃料电池、垃圾燃料、核聚变能、生物质能等来生产电能。因此，加强新能源发电的开发力度，加快新能源发电的步伐，是世界各国共同的发展趋势。